氢燃料发动机燃烧系统及车辆的制作方法

1.本发明涉及车辆技术领域，尤其涉及氢燃料发动机燃烧系统及车辆。


背景技术：

2.氢燃料因其不含碳以及较宽的可燃极限和较快的火焰传播速度而成为一种被广泛看好的内燃机清洁替代燃料，氢气可以在过量空气系数为0.2～10的范围内燃烧，说明氢燃料发动机可采用稀薄燃烧，在提高经济性的同时能够降低nox排放，而且在采用稀薄燃烧时其启动性能较其他燃料更好。氢燃料发动机的过量空气系数多为2.5左右，而大量产生的nox的过量空气系数范围为1～2。因此，为降低nox排放，应保证氢气充分混合，达到较大的过量空气系数。通常情况下会提前喷氢时刻二提高氢气发动机的均匀性，但氢气发动机大多在压缩冲程喷氢，氢气的密度较小，过早的喷氢会增加压缩负功，降低发动机的热效率。
3.因此，亟需氢燃料发动机燃烧系统及车辆，以解决上述问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供氢燃料发动机燃烧系统及车辆，进一步减小燃烧室的容积，有利于氢气-空气混合气更加靠近缸盖中心的火花塞，喷氢时刻更靠近压缩上止点，在保证低排放的基础上，提高氢气发动机的热效率。
5.为了解决现有技术存在的上述问题，本发明采用以下技术方案：
6.氢燃料发动机燃烧系统，包括缸盖、活塞和喷氢组件；
7.所述缸盖和所述活塞之间能够形成燃烧室；
8.所述缸盖具有进气侧挤气面和排气侧挤气面，所述进气侧挤气面和所述排气侧挤气面位于所述燃烧室；
9.所述喷氢组件包括喷氢器和遮挡帽，所述遮挡帽安装于所述缸盖，所述喷氢器设置于所述遮挡帽，所述遮挡帽位于所述喷氢器和所述缸盖之间，所述遮挡帽设置有喷氢孔，所述喷氢孔朝向所述燃烧室，所述喷氢孔的中心轴线与所述喷氢器的中心轴线之间呈夹角a，所述夹角a小于15
°
。
10.优选地，所述喷氢孔的数量有多个，多个所述喷氢孔间隔设置，且相邻所述喷氢孔之间的间距大于3mm。
11.优选地，所述喷氢孔的数量为三个。
12.优选地，所述喷氢孔的形状设置为圆形。
13.优选地，所述缸盖具有进气口和排气口，所述进气口所在平面和所述排气口所在平面均与所述活塞的顶面之间呈夹角b，所述夹角b为30
°
。
14.优选地，所述进气侧挤气面位于所述进气口一侧，所述排气侧挤气面位于所述排气口一侧。
15.优选地，所述氢燃料发动机燃烧系统还包括进气管，所述进气管设置于所述缸盖，所述进气管具有进气道，所述进气道与所述燃烧室连通设置，所述进气道内气体的流通方
向与水平面之间呈锐角c，所述锐角c为30
°
。
16.优选地，所述活塞的顶面具有凹坑，所述凹坑的深度为3.2mm，且所述凹坑的直径为64mm。
17.优选地，所述燃烧室的容积为24.2ml。
18.为达上述目的，本发明还提供了车辆，包括发动机，所述车辆还包括上述的氢燃料发动机燃烧系统，所述氢燃料发动机燃烧系统安装于所述发动机。
19.本发明的有益效果为：
20.本发明提供的氢燃料发动机燃烧系统，缸盖具有进气侧挤气面和排气侧挤气面，进气侧挤气面和排气侧挤气面位于燃烧室，能够促使压缩冲程后期，点火时刻附近，可以使缸内滚流向气缸中心流动，对滚流的发展起到导向作用，这有利于氢气-空气混合气更加靠近缸盖中心的火花塞，更有利于点燃，同时还能进一步减小燃烧室的容积。喷氢组件包括喷氢器和遮挡帽，遮挡帽安装于缸盖，喷氢器设置于遮挡帽，遮挡帽位于喷氢器和缸盖之间，遮挡帽设置有喷氢孔。当活塞到达上止点时，活塞的顶部与缸盖之间的空间为燃烧室，在喷氢过程中，氢气经由喷氢器和遮挡帽，从遮挡帽上的喷氢孔喷入燃烧室内，喷氢孔的中心轴线与喷氢器的中心轴线之间呈夹角a，夹角a小于15
°
。氢气的喷射角度较靠上，喷氢完毕后，氢气能随着贴近缸壁的滚流场较为分散的运动，与空气更加均匀的混合。能够允许在氢气与空气充分混合的前提下，喷氢时刻更靠近压缩上止点，在保证nox排放低的基础上，减小压缩负功，提高氢气发动机的热效率。
21.本发明提供的车辆，包括发动机和氢燃料发动机燃烧系统，氢燃料发动机燃烧系统安装于发动机。在保证氢气-空气充分混合的同时，使得喷氢时刻更靠近压缩上止点，这就使得nox排放降低，同时压缩负功减小，提升了氢燃料发动机的热效率。
附图说明
22.图1为本发明实施例中氢燃料发动机燃烧系统的结构示意图；
23.图2为本发明实施例中喷氢组件的结构示意图；
24.图3为本发明实施例中缸盖的结构示意图；
25.图4为本发明实施例中活塞的俯视图；
26.图5为本发明实施例中活塞的正视图。
27.附图标记：
28.1、缸盖；2、活塞；3、燃烧室；4、进气侧挤气面；5、排气侧挤气面；6、喷氢器；7、遮挡帽；8、喷氢孔；9、进气口；10、排气口；11、进气管；12、凹坑；13、进气门；14、火花塞。
具体实施方式
29.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
30.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连
通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
31.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
32.在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
33.氢燃料因其不含碳以及较宽的可燃极限和较快的火焰传播速度而成为一种被广泛看好的内燃机清洁替代燃料，氢气可以在过量空气系数为0.2～10的范围内燃烧，说明氢燃料发动机可采用稀薄燃烧，在提高经济性的同时能够降低nox排放，而且在采用稀薄燃烧时其启动性能较其他燃料更好。氢燃料发动机的过量空气系数多为2.5左右，而大量产生的nox的过量空气系数范围为1～2。因此，为降低nox排放，应保证氢气充分混合，达到较大的过量空气系数。通常情况下会提前喷氢时刻二提高氢气发动机的均匀性，但氢气发动机大多在压缩冲程喷氢，氢气的密度较小，过早的喷氢会增加压缩负功，降低发动机的热效率。对此，本实施例提供了氢燃料发动机燃烧系统，进一步减小燃烧室的容积，有利于氢气-空气混合气更加靠近缸盖中心的火花塞，喷氢时刻更靠近压缩上止点，在保证低排放的基础上，提高氢气发动机的热效率。
34.如图1-图5所示，在本实施例中，氢燃料发动机燃烧系统包括缸盖1、活塞2以及喷氢组件。其中，缸盖1和活塞2之间能够形成燃烧室3，缸盖1具有进气侧挤气面4和排气侧挤气面5，进气侧挤气面4和排气侧挤气面5位于燃烧室3。喷氢组件包括喷氢器6和遮挡帽7，遮挡帽7安装于缸盖1，喷氢器6设置于遮挡帽7，遮挡帽7位于喷氢器6和缸盖1之间，遮挡帽7设置有喷氢孔8，喷氢孔8朝向燃烧室3，喷氢孔8的中心轴线与喷氢器6的中心轴线之间呈夹角a，夹角a小于15
°
。具体地，当活塞2到达上止点时，活塞2的顶部与缸盖1之间的空间为燃烧室3，在喷氢过程中，氢气经由喷氢器6和遮挡帽7，从遮挡帽7上的喷氢孔8喷入燃烧室3内，因氢气的密度较小，喷射完毕后的缸内混合受缸滚流比的影响很大。经计算研究，喷氢孔8的中心轴线与喷氢器6的中心轴线之间的夹角a大于15
°
时，氢气的喷射角度较靠下，喷氢完毕后的氢气会被气缸中下部的滚流场聚集到气缸进气侧下方，不利于氢气的均匀混合。而夹角a小于15
°
时，氢气的喷射角度较靠上，喷氢完毕后，氢气能随着贴近缸壁的滚流场较为分散的运动，与空气更加均匀的混合。在缸盖1燃烧室3的进气和排气侧增加两个挤气面，能够促使压缩冲程后期，点火时刻附近，可以使缸内滚流向气缸中心流动，对滚流的发展起到导向作用，这有利于氢气-空气混合气更加靠近缸盖1中心的火花塞14，更有利于点燃，同时还能进一步减小燃烧室3的容积。带有遮挡帽7的喷氢孔8的布局和设计，配合高滚流燃烧系统，能够允许在氢气与空气充分混合的前提下，喷氢时刻更靠近压缩上止点，在保证nox排放低的基础上，减小压缩负功，提高氢气发动机的热效率。
35.进一步地，继续参照图1-图5，喷氢孔8的数量有多个，多个喷氢孔8间隔设置，且相邻喷氢孔8之间的间距大于3mm。具体地，为了保证喷嘴的可靠性以及喷氢孔8之间的距离大于3mm的前提下，有效的利用遮挡帽7的空间，布局下更多的喷氢孔8。
36.进一步地，继续参照图1-图5，喷氢孔8的数量为三个。具体地，在喷氢孔8总截面积相同和保证喷氢孔8间距的情况下布置更多的喷氢孔8，提高设计的自由度。喷氢孔8数量少，会导致氢气在喷氢阶段的分散性差，不利于氢气-空气混合，喷氢孔8数量多，会导致每个喷氢孔8喷出的氢气较少，因氢气的密度小，质量就小，这就导致喷出的氢气易聚集在缸体的上部，不利于均匀混合。经计算研究，喷氢孔8数量为三个时，氢气混合效果较好。
37.进一步地，继续参照图1-图5，喷氢孔8的形状设置为圆形。具体地，喷嘴为半球形，相对于条形或方形的喷氢孔8，圆形喷氢孔8能够更合理的利用喷嘴的空间。
38.进一步地，继续参照图1-图5，缸盖1具有进气口9和排气口10，进气口9所在平面和排气口10所在平面均与活塞2的顶面之间呈夹角b，夹角b为30
°
，燃烧室3的容积为24.2ml。具体地，缸盖1燃烧室3的夹角越小，能更好的配合进气道的滚流沿着缸盖1壁面流动到缸体而形成更大的滚流场，容积越小的燃烧室3，能在相同压缩比下，做出凸起小的活塞2，减小对滚流的阻挡，同时还能减少在做功冲程火焰撞到活塞2凸起上导致的火焰中断，产生壁面淬熄的可能。
39.优选地，进气侧挤气面4位于进气口9一侧，排气侧挤气面5位于排气口10一侧。
40.进一步地，继续参照图1-图5，氢燃料发动机燃烧系统还包括进气管11，进气管11设置于缸盖1，进气管11具有进气道，进气道与燃烧室3连通设置，进气道内气体的流通方向与水平面之间呈锐角c，锐角c为30
°
。具体地，由于氢气的密度较小，喷氢完毕后，缸内的滚流场对氢气-空气的混合影响较大，进气道及燃烧室3主要影响缸内初期滚流场的形成，燃烧室3及活塞2会影响滚流场的后期变化。进气倾角较小的进气道能使初期的滚流场沿着壁面流动，形成的滚流场更大，有利于缸内混合。
41.进一步地，继续参照图1-图5，活塞2的顶面具有凹坑12，凹坑12的深度为3.2mm，且凹坑12的直径为64mm。具体地，为了使缸内滚流充分发展，低凸起，深且宽凹坑12的活塞2能减小对滚流的阻挡，本实施例中的活塞2的凸起绕设于凹坑12，凸起的高度为0，与活塞2顶平面平齐。凹坑12的深度为3.2mm，直径为64mm，相对于缸径78.5mm的燃烧室3，属于低凸起，深凹坑12，宽凹坑12的活塞2。本发明最大限度的保证了氢气的充分混合，减少了nox排放，同时使得喷氢时刻可以在压缩冲程中更靠近压缩上止点，减小了压缩负功，提高了氢能发动机的热效率。优选地，因燃烧室3的容积较小，在保证压缩比的情况下，活塞2的凸起可以做的更低，减小凸起对滚流变化的阻挡，在做功冲程中还能减小火焰撞到活塞2的凸起上，导致火焰传播中断，产生避免淬熄的可能。
42.本实施例还提供了一种车辆，包括发动机和氢燃料发动机燃烧系统，氢燃料发动机燃烧系统安装于发动机。具体地，发动机处于进气冲程时，进气门13打开，高滚流进气道内的气体经进气门13进入燃烧室3，进气道的轴线与水平面间的夹角为30
°
，较低的进气倾角有利于气体流向排气侧，形成范围更大，滚流比更高的初始滚流。气体进入燃烧室3后，沿燃烧室3的壁面，经火花塞14和排气门，流向排气侧的缸体，燃烧室3减小了对滚流的阻挡，导向出更充分的滚流，形成更大的滚流场。经过缸体的气体向活塞2的方向流动，滚流沿着燃烧室3的壁面流向活塞2。流向活塞2的气体沿活塞2的顶面流动，因凸起对滚流的阻挡较
小，滚流的保持性较好，而靠近凹坑12的气体流经深且宽的活塞2凹坑12过程中，活塞2与燃烧室3之间的空间变大，滚流得到了更充分的发展。流过活塞2顶面的气体流向进气侧缸体，沿进气侧缸体向上流动，流向进气门13的底部，完成一次完整的流动。
43.发动机处于压缩冲程时，活塞2上行，燃烧室3内的气体继续保持上述流动，与此同时，此阶段开始喷氢，氢气经由喷氢器6和遮挡帽7，从遮挡帽7上的3个圆形喷氢孔8喷入燃烧室3内。氢气从3个圆形喷氢孔8喷出，在保证遮挡帽7可靠性的基础上提高了氢气的分散性，同时也减小因单束氢气质量过轻导致，氢气聚集在燃烧室3上部的可能。以较小喷射角度喷出氢气，氢气靠近燃烧室3的上部，氢气随着贴近燃烧室3壁面的大滚流场流动，加强了与空气燃烧室3内空气的充分混合。
44.在压缩冲程后期，活塞2继续上行，在接近压缩上止点时，滚流破碎，形成湍动能，湍动能使氢气与空气充分混合，此时氢气-空气混合气会沿着燃烧室3的排气侧挤气面5和进气侧挤气面4向燃烧室3中心的火花塞14附近流动，保证了点火的顺利进行。
45.发动机处于做功冲程时，活塞2下行，火焰由火花塞14向四周传播，活塞2上的凸起较低，火焰不易撞到活塞2的凸起上，导致火焰传播中断产生避免淬熄现象。
46.在保证氢气-空气充分混合的同时，使得喷氢时刻更靠近压缩上止点，这就使得nox排放降低，同时压缩负功减小，提升了氢能发动机的热效率。
47.显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

技术特征：
1.氢燃料发动机燃烧系统，其特征在于，包括缸盖(1)、活塞(2)和喷氢组件；所述缸盖(1)和所述活塞(2)之间能够形成燃烧室(3)；所述缸盖(1)具有进气侧挤气面(4)和排气侧挤气面(5)，所述进气侧挤气面(4)和所述排气侧挤气面(5)位于所述燃烧室(3)；所述喷氢组件包括喷氢器(6)和遮挡帽(7)，所述遮挡帽(7)安装于所述缸盖(1)，所述喷氢器(6)设置于所述遮挡帽(7)，所述遮挡帽(7)位于所述喷氢器(6)和所述缸盖(1)之间，所述遮挡帽(7)设置有喷氢孔(8)，所述喷氢孔(8)朝向所述燃烧室(3)，所述喷氢孔(8)的中心轴线与所述喷氢器(6)的中心轴线之间呈夹角a，所述夹角a小于15
°
。2.根据权利要求1所述的氢燃料发动机燃烧系统，其特征在于，所述喷氢孔(8)的数量有多个，多个所述喷氢孔(8)间隔设置，且相邻所述喷氢孔(8)之间的间距大于3mm。3.根据权利要求2所述的氢燃料发动机燃烧系统，其特征在于，所述喷氢孔(8)的数量为三个。4.根据权利要求1所述的氢燃料发动机燃烧系统，其特征在于，所述喷氢孔(8)的形状设置为圆形。5.根据权利要求1所述的氢燃料发动机燃烧系统，其特征在于，所述缸盖(1)具有进气口(9)和排气口(10)，所述进气口(9)所在平面和所述排气口(10)所在平面均与所述活塞(2)的顶面之间呈夹角b，所述夹角b为30
°
。6.根据权利要求5所述的氢燃料发动机燃烧系统，其特征在于，所述进气侧挤气面(4)位于所述进气口(9)一侧，所述排气侧挤气面(5)位于所述排气口(10)一侧。7.根据权利要求1所述的氢燃料发动机燃烧系统，其特征在于，所述氢燃料发动机燃烧系统还包括进气管(11)，所述进气管(11)设置于所述缸盖(1)，所述进气管(11)具有进气道，所述进气道与所述燃烧室(3)连通设置，所述进气道内气体的流通方向与水平面之间呈锐角c，所述锐角c为30
°
。8.根据权利要求1所述的氢燃料发动机燃烧系统，其特征在于，所述活塞(2)的顶面具有凹坑(12)，所述凹坑(12)的深度为3.2mm，且所述凹坑(12)的直径为64mm。9.根据权利要求1所述的氢燃料发动机燃烧系统，其特征在于，所述燃烧室(3)的容积为24.2ml。10.车辆，包括发动机，其特征在于，所述车辆还包括如权利要求1-9任一项所述的氢燃料发动机燃烧系统，所述氢燃料发动机燃烧系统安装于所述发动机。

技术总结
本发明属于车辆技术领域，公开了氢燃料发动机燃烧系统及车辆，该氢燃料发动机燃烧系统包括缸盖、活塞和喷氢组件，缸盖和活塞之间能够形成燃烧室，缸盖具有进气侧挤气面和排气侧挤气面，可以使缸内滚流向气缸中心流动，对滚流的发展起到导向作用，这有利于混合气更加靠近缸盖中心的火花塞，更有利于点燃，同时还能进一步减小燃烧室的容积，喷氢组件包括喷氢器和遮挡帽，遮挡帽安装于缸盖，喷氢器设置于遮挡帽，遮挡帽位于喷氢器和缸盖之间，遮挡帽设置有喷氢孔，喷氢孔的中心轴线与喷氢器的中心轴线之间呈夹角A，夹角A小于15


技术研发人员：李莹 王振喜 段加全 郑家恒 宫艳峰 张连方
受保护的技术使用者：中国第一汽车股份有限公司
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/6/14